一种基于MIMO技术的高分辨扇扫成像方法技术

本发明专利技术提供了一种基于MIMO技术的高分辨扇扫成像方法，利用MIMO阵列可以获得虚拟阵元的优点来设计成像阵列，在不增加阵列尺寸和提高信号频率的前提下将方位分辨率倍增；通过计算机数值仿真给出了具有相同尺寸的MIMO阵列和SIMO阵列的波束图，从波束图主瓣宽度这一角度来说明MIMO阵列具有更高的方位分辨率；通过计算机数值仿真给出了具有相同尺寸的MIMO阵列和SIMO阵列的二维扇扫成像结果，从成像结果证明了MIMO阵列具有更高的方位分辨率。本发明专利技术可以在与SIMO阵列同尺寸的前提下获得2倍于后者的方位分辨率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种阵列成像方法。
技术介绍
在水下声成像、雷达成像以及医学成像等阵列成像领域，扇扫成像是广泛使用的工作方式之一。典型的扇扫成像系统由ー个发射阵元和一条接收线阵组成。发射阵元发射单个脉冲就可以照射一片区域。接收线列阵对回波进行多波束形成，提取各个波束的输出强度，即可获得该区域的ニ维散射强度图。(Sutton J L, Underwateracoustic imaging, Proceedings of the IEEE,1979;67 (4):554-566. Bao Z, Xing MD and Wang T，Radar imaging technique,China:Publish House of ElectronicsIndustry, 2005. Makovski A，Ultrasonic imaging using arrays, Proceedings of theIEEE, 1979;67(4) :484-495. ) 对于典型的扇扫成像系统而言，其成像质量的好坏直接由分辨率决定。这包括距离分辨率和方位分辨率(Soumekh M. Array imaging with beam-steered data.IEEE Trans. Image Process.，1992; I (3) : 379-390)。距离分辨率由发射信号的带宽决定，可以通过増加信号带宽来提高。方位分辨率则由阵列的有效孔径决定，可以通过增加孔径来提高。但是更大的孔径会带来更大的尺寸，使得阵列难以被ー些内部空间有限的成像系统容纳。除了增加阵列孔径外，提高发射信号频率也可以提高方位分辨率。但是更高的频率会导致栅瓣的出现(Van Trees H L. Optimum array processing:part4of detection, estimation, and modulation theory.Hoboken: John Wi ley & SonsInc. , 2002.)。此外，传播过程中的吸收损失也会因此而变大，导致成像系统作用距离变短(如在水下扇扫成像系统中的应用)。为了减少阵元个数并获得高方位分辨率，王怀军(Wang H J, Lei W T, Huang CL, and Su Y,MIMO radar imaging model and algorithm, J. Electronics (China), 2009;26: 577-583.)和王党卫(Wang D ff,Ma X Y, Chen A L, and Su Y,High-resolution imagingusing a wideband MIMO radar system with two distributed arrays, IEEE Trans. ImageProcess.，2010; 19(5) :1280-1289.)等人研究了 多输入多输出(ΜΜ0，Multiple-InputMultiple-Output)雷达的扇扫成像能力，认为MMO雷达可以比单输入多输出(SM0，Single-Input Multiple-Output)雷达使用更少的阵元来获得所需的方位分辨率。但是这些研究主要针对安装在地面上的雷达成像系统。其关注的是如何使用少量的阵元来设计MIMO阵列，以及如何使用MIMO阵列进行高分辨成像，并没有将控制成像阵列的尺寸作为考虑因素。对于很多扇扫成像系统而言，其用于安装发射阵和接收阵的内部空间是有限的。面临的问题是如何在这有限的空间下布置发射阵和接收阵，并结合适当的处理方法来获得更高的方位分辨率。如前所述，传统的SMO阵列在提高方位分辨率上面临诸多限制，MIMO阵列的研究者也没有将控制阵列尺寸作为考虑因素。
技术实现思路
为了克服现有扇扫成像系统在提高方位分辨率上遇到的困难，本专利技术提出ー种新的基于MMO技术的扇扫成像方法。通过选择合适的阵型、发射信号与处理方法，本专利技术中的MMO阵列可以在与SMO阵列同尺寸的前提下(即二者所占用成像系统的内部空间是相同的)，获得2倍于后者的方位分辨率。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤I)采用MIMO阵列作为成像阵列，发射阵和接收阵都为均匀直线阵，两者位于同一条直线上且两个均匀直线阵的中垂线重合，发射阵元的间距dt等于接收阵元的间距も乘以接收阵元个数N ;所述的发射阵元的个数为2个；所述的发射直线阵和接收直线阵也可以互相平行，但是要保证两者之间的距离远 远小于成像系统的最小工作距离，最大不超过发射线列阵的尺寸大小。2)选取两个发射信号，这两个发射信号的自相关函数R1U)和R2(t)具有相同的主瓣包络和低旁瓣，即旁瓣最大值小于等于主瓣值的O. I倍，同时其互相关函数R1>2 (t)的最大值小于等于自相关函数R1U)和R2(t)最大值的O. I倍；3)发射阵元发射满足步骤2)中要求的发射信号；4)在接收端采集回波后，用两个发射信号S1 (t)和S2 (t)对N个接收阵元上的回波分别进行匹配滤波处理，获得2N个输出，即N个输出为R1⑴，另外N个输出为R2⑴；5)按照回波到达的先后顺序来提取各个波束输出的強度，最后将各个波束输出的強度进行拼接，获得目标区域的ニ维散射強度图。本专利技术的有益效果是本专利技术的基本原理和实施方案经过了计算机数值仿真的验证，其结果表明与传统扇扫成像系统中使用的SMO阵列相比，本专利技术中的MMO阵列可以在不增加阵列尺寸和提高发射信号频率的前提下，将阵列的方位分辨率倍増。本专利技术中MIMO阵列采用为2发N收的布阵方式，其可等效为I发2N收的虚拟阵列，且两种阵列的接收阵元间距都同为も。因此可以计算出，MMO阵列的尺寸为Ndr，而其有效孔径却是(2N-l)dr。与MMO阵列同尺寸的SMO阵列，其有效孔径与其实际尺寸是相同的，即为Neレ扇扫成像系统中，为了获得足够的方位分辨率，接收阵元个数N—般取数十个甚至上百个。当N彡20时，可以认为MMO阵列孔径(2Ν-1)4是其与其等尺寸的SMO阵列的有效孔径N4的2倍。本专利技术中的MIMO阵列使用2个发射阵元，在获得相同的方位分辨率的前提下，能够比SMO阵列节省一半的阵元。本专利技术中2发N收的MMO阵列与I发2N收的SMO阵列具有相同的方位分辨率，即MIMO阵列使用N+2个阵元，与其同分辨的SMO阵列则使用2N+1个阵元。当接收阵元个数N > 20时,可以认为后者约是前者的2倍。下面结合附图和实施例对本专利技术进ー步说明。附图说明图I为MMO阵列及其坐标系统，其中实心圆为发射阵元，空心圆为接收阵元；图2为两种发射阵和接收阵示意图，其中图2 Ca)中发射阵和接收阵位于同一条直线上，图2 (b)中发射阵和接收阵相互平行；图3为MIMO阵列的等效虚拟阵列，其中阴影圆为虚拟接收阵元；图4为传统SMO阵列，其中在原点处，发射阵元与I个接收阵元的位置重合；图5为MMO阵列与SMO阵列的有效孔径的比值和MMO阵列的发射阵元数M的关系;图6为2个正交多相编码信号的自相关函数及其互相关函数，其中子码个数为256(为了显示清晰，只画出了 2个自相关函数主瓣左右和互相关函数最大值左右各32个点的数值)；图7为本专利技术中主要步骤本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于MIMO技术的高分辨扇扫成像方法，其特征在于包括下述步骤：1)采用MIMO阵列作为成像阵列，发射阵和接收阵都为均匀直线阵，两者位于同一条直线上且两个均匀直线阵的中垂线重合，发射阵元的间距dt等于接收阵元的间距dr乘以接收阵元个数N；所述的发射阵元的个数为2个；2)选取两个发射信号，这两个发射信号的自相关函数R1(t)和R2(t)具有相同的主瓣包络和低旁瓣，即旁瓣最大值小于等于主瓣值的0.1倍，同时其互相关函数R1，2(t)的最大值小于等于自相关函数R1(t)和R2(t)最大值的0.1倍；3)发射阵元发射满足步骤2）中要求的发射信号；4)在接收端采集回波后，用两个发射信号s1(t)和s2(t)对N个接收阵元上的回波分别进行匹配滤波处理，获得2N个输出，即N个输出为R1(t)，另外N个输出为R2(t)；5)按照回波到达的先后顺序来提取各个波束输出的强度，最后将各个波束输出的强度进行拼接，获得目标区域的二维散射强度图。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：孙超，刘雄厚，卓颉，郭祺丽，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：